Wie man ein Flugzeug baut, das niemals landen muss

Das britische Militär will zwei Flugzeuge erwerben, die monatelang fliegen können – ohne Zwischenlandung. Die solarbetriebenen “Zephyr”-Drohnen würden wahrscheinlich losgeschickt werden, um langfristige Überwachungsmissionen auszuführen. Dabei sollen sie ein Areal anhand von qualitativ hochwertigen Bildern überwachen. Sie wären zudem in der Lage, in abgelegenen Gegenden Signale zur Mobil- sowie Internetkommunikation bereitzustellen, um Bodeneinsätze zu unterstützen und könnten langfristige Forschungsprojekte vorbereiten.

Neben den Bemühungen von Facebook und Google, eine ähnliche Technologie zu entwickeln, könnte die Markteinführung des Zephyrs durch den europäischen Flugzeugbauer Airbus den Beginn einer neuen Ära von ununtebrochenen Flügen einleiten. Eine Reihe von Durchbrüchen bei Leichtbaumaterialien der Solarenergie und den entsprechenden Batterien sowie bei der autonomen Navigation hat dies ermöglicht. Diese Fortschritte führten gemeinsam zur Schaffung von Flugzeugen, die Tag und Nacht ohne Unterbrechung fliegen können – und das möglicherweise über viele Monate.

Selbstgesteuerte und selbstangetriebene Flugzeuge haben ihren Ursprung bei der NASA, die mit dem Team hinter dem bemannten Solar Challenger-Flugzeug, das im Jahr 1981 über den englischen Kanal flog, zusammenarbeitete. Im Jahr 1994 zeigte das Pathfinder-Flugzeug der NASA, dass Solarpaneele dazu in der Lage waren, ein Flugzeug in großer Höhe anzutreiben. Die Flugzeuge benötigten jedoch eine zusätzliche Energiequelle zu Nachtzeiten. Zu dieser Zeit waren Batterien jedoch zu schwer, um sie mitzuführen, sodass sich die Ingenieure der NASA den Wasserstoffbrennzellen zuwendeten, die sie mit dem Ziel eines Rund-um-die-Uhr-Betriebs in ihren Helios-Prototypen einsetzten.

Unglücklicherweise erwies sich Helios als strukturell schwach und brach auf einem Testflug im Jahr 2003 nach Turbulenzen auf dramatische Weise auseinander. Dieser Vorfall markiert das Ende des Vorstoßes der NASA im Bereich solarbetriebener Drohnen. Nur zwei Jahre später bewies das SoLong-Flugzeug von AC Propulsion, dass es möglich war, leichtgewichtige Batterien in ein Solarflugzeug zu integrieren. Das Flugzeug flog 48 Stunden und wurde aus der Ferne von einem aus sechs Piloten bestehendem Team gesteuert.

Heute verfügt der ursprünglich von der britischen Firma QinetiQ entwickelte Zephyr über eine Flügelspannweite von 23 Metern und wiegt nur 55 Kilo (im Vergleich dazu wog Helios ganze 726 Kilo). Er bewegt sich in einer Höhe von 20 Kilometern, hoch über dem kommerziellen Flugverkehr und den sich schnell bewegenden atmosphärischen Winden des Stahlstroms.

Noch bedeutsamer ist, dass es potenziell über mehrere Monate und ohne getankt zu werden fliegen könnte. Bislang ist es lediglich 14 Tage durchgängig geflogen. Theoretisch jedoch besteht die einzige Begrenzung darin, wie oft die Batterie sich laden und entladen kann, bevor sie aufgebraucht ist. Um dies zu ermöglichen, muss das Flugzeug die entscheidende Herausforderung meistern, ausreichend Energie zu generieren und zu speichern, um es fortlaufend in der Luft zu halten und seine Kameras, sowie die Kommunikationsausrüstung zu betreiben.

Die Wirksamkeit der Solarpaneele, die heutzutage in den Flugzeugen verwendet werden, unterscheidet sich nicht signifikant von denen, die bei den ersten durchgängigen Flügen eingesetzt wurden. Was sich entscheidend verbessert hat, sind das Gewicht und die Robustheit der Platten sowie die Kosten. Tatsächlich nutzt der Zephyr-Flieger acht amorphe Silikonzellen, die eigentlich weniger effektiv sind als die im SoLong-Flugzeug zehn Jahre zuvor genutzten monokristallinen Zellen. Da heutige Zellen jedoch leichter und flexibler sind, tragen sie zu einer beständigeren Struktur, die weniger Antriebskraft benötigt, bei.

Eine weitere entscheidende Entwicklung, die dabei geholfen hat, diese Flugzeuge möglich zu machen, ist die Verbesserung der Energiespeichertechnologien. Sie ermöglichen eine Speicherung der am Tag generierten Energie aus dem Sonnenlicht für eine Nutzung in der Nacht. Moderne Lithium-Schwefel-Batterien sind dazu in der Lage, 60 Prozent mehr Energie pro Kilogramm zu speichern als die zehn Jahre zuvor verwanden Lithium-Polymer-Batterien. Mehr als 40 Prozent des Gewichtes des Zephyrs 8 macht die Batterieanordnung aus. Das bedeutet, dass eine Verbesserung der Energiedichte (wie viel Energie gespeichert werden kann, ohne zusätzliches Gewicht oder Volumen hinzuzufügen), einen dramatischen Einfluss auf die Leistung des gesamten Flugzeuges haben kann und es letztendlich dazu befähigt, mehr Ausstattung mit sich zu tragen.

Weitere Fortschritte beinhalten die künstliche Intelligenz, die das Flugzeug dirigiert. Sensoren, die Umgebungsdaten für das fortlaufende und verändernde Wetter sammeln und das Karbonfasergemisch, das zum Bau des Flugzeuges verwendet wird. Auch wenn die Rohmaterialien dieselben bleiben, so wurde die Gesamtstruktur leichter, auf Grund neuer Herstellungsprozesse für die Überwachungskontrolle der Karbonfasern mit dem Einsatz von weniger Kunststoff.

Aus all diesen Technologien resultiert ein Flugzeug, das Dinge vollbringen kann, die zuvor nur mit Satelliten möglich waren. Ein Flugzeug, das kontinuierlich über ein Areal fliegen kann und nicht die ganze Erde umkreisen muss. Auch wenn Großbritannien Berichten zufolge 10,5 Millionen Pfund für seine zwei Zephyrs ausgeben wird, ist dies nur ein Bruchteil der Hunderten von Millionen, die benötigt werden, um einen Satelliten in Betrieb zu nehmen. Zusätzlich ist es, im Gegensatz zu Satelliten, möglich die Maschine landen zu lassen und zu reparieren, sollte es Probleme geben.

Die Herausforderung für die Ingenieure, die an solarbetriebenen Drohnen arbeiten, ist es, den Umfang der Energie, die sie sammeln und speichern können, zu steigern. Zussätzlich müssen sie überprüfen, wie lange die Batterien einem durchgängigen Laden und Entladen standhalten können. Dies wird ihnen ermöglichen, eine größere Bandbreite an Austausch anzubieten und Flüge in größeren Höhenlagen und während der Wintermonate, wenn die eingehende Sonnenstrahlung schwächer ist, zu ermöglichen. Wenn das erreicht wird, kann Google dann Facebook und anderen Anbietern seine Internetdienstleistungen nicht über Kabel, sondern über Drohnen zur Verfügung stellen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf “The Conversation” unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.The Conversation


Image „plane“ Image by Andrey (CC BY 2.0)


Schlagwörter: , , , , , , , ,
Richard Cochrane

Richard Cochrane

ist Diplomingenieur mit einer Leidenschaft für erneuerbare Energien und Konstruktionstechnik. Außerdem ist er Direktor für Bildung und Dozent für erneuerbare Energie der Universität von Exeter.

More Posts - Website - Twitter